基于双异质结的Ga2O3/GaN/SiC光电探测二极管及其制备方法与流程

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管及其制备方法。

背景技术：

随着近年来天文、高能物理、空间技术等领域的研究与探索工作的不断深入，及其在宇宙探测、人造卫星等方面应用前景的迅速拓展，对于光线尤其紫外光的探测器的要求越来越高，如光电对抗中紫外对抗与反对抗技术就愈发受到军方的关注。通常波长在10～400nm的电磁波成为紫外线，既不同于可见光辐射，又不同于红外辐射；其中来自太阳辐射的紫外线中被大气层几乎完全吸收的谱区被称为日盲区，是紫外探测中较难探测到的区域。

光电探测二极管是一种基于PN结的光电检测二极管，一般可测量紫外到红外光区域，在军事高技术与民品市场的开发中具有很大的使用价值，如在日盲区对尾烟或羽烟中能释放大量紫外辐射的飞行目标进行实时探测或有效跟踪。

但目前的光电检测二极管仍然存在光吸收能力弱，且在紫外光探测方面能力不强等问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于Ga₂O₃/SiC异质结构的光电NPN晶体管及其制备方法。

本发明的一个实施例提供了一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的制备方法，包括：

选取SiC衬底；

在所述SiC衬底表面连续生长同质外延层、GaN层及Ga₂O₃层；

在所述Ga₂O₃层表面形成光吸收层；

在整个衬底下表面淀积第一金属材料形成底电极；

在整个衬底上表面淀积第二金属材料形成顶电极以最终形成所述光电探测二极管。

在本发明的一个实施例中，选取SiC衬底，包括：

选取N型的4H-SiC或6H-SiC材料作为所述SiC衬底；

利用RCA标准清洗工艺对所述SiC衬底进行清洗。

在本发明的一个实施例中，在所述SiC衬底表面连续生长同质外延层、GaN层及Ga₂O₃层，包括：

利用LPCVD工艺，在所述SiC衬底表面生长掺杂N元素的SiC材料以形成N型的所述同质外延层；

采用MOCVD工艺，在所述同质外延表面生长掺杂N元素的GaN材料以形成所述GaN层；

利用MBE工艺，在所述GaN层表面生长β-Ga₂O₃材料形成所述Ga₂O₃层。

在本发明的一个实施例中，在所述Ga₂O₃层表面形成光吸收层，包括：

采用第一掩膜板，利用磁控溅射工艺在所述Ga₂O₃层表面溅射第三金属材料形成所述光吸收层。

在本发明的一个实施例中，利用磁控溅射工艺在所述Ga₂O₃层表面溅射第三金属材料，包括：

以Ni材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为100W，真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa的条件下，在所述Ga₂O₃层表面溅射所述Ni材料以作为所述第三金属材料。

在本发明的一个实施例中，在整个衬底下表面淀积第一金属材料形成底电极，包括：

利用磁控溅射工艺在包括SiC衬底、所述同质外延层、所述GaN层、所述Ga₂O₃层及所述光吸收层的整个衬底的下表面溅射所述第一金属材料；

在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述整个衬底的下表面与所述第一金属材料表面处形成欧姆接触以完成所述底电极的制备。

在本发明的一个实施例中，利用磁控溅射工艺在包括SiC衬底、所述同质外延层、所述GaN层、所述Ga₂O₃层及所述光吸收层的整个衬底的下表面溅射所述第一金属材料，包括：

以Ni材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为100W，真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa的条件下，在所述整个衬底的下表面溅射所述Ni材料以作为所述第一金属材料。

在本发明的一个实施例中，在整个衬底上表面生长第二金属材料形成顶电极，包括：

采用第二掩膜板，利用磁控溅射工艺在在包括SiC衬底、所述同质外延层、所述GaN层、所述Ga₂O₃层及所述光吸收层的整个衬底上表面生长所述第二金属材料；

在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述整个衬底的上表面与所述第二金属材料表面处形成欧姆接触以完成所述顶电极的制备。

在本发明的一个实施例中，利用磁控溅射工艺在在包括SiC衬底、所述同质外延层、所述GaN层、所述Ga₂O₃层及所述光吸收层的整个衬底上表面生长所述第二金属材料，包括：

以Ni材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W，在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa的条件下，在所述整个衬底表面溅射形成所述Ni材料；

以Au材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W，在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa的条件下，在所述Ni材料表面溅射Au材料形成Ni/Au叠层双金属材料以作为所述第二金属材料。

本发明的另一个实施例提供了一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管，其中，所述基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管由上述实施例中任一所述的方法制备形成。

本发明的光电探测二极管采用了双异质结结构，从而形成双势垒，可有效降低漏电流，从而大幅提高光电二极管的器件可靠性，且本发明的实用性较高，目前在SiC衬底上进行同质外延和生长GaN层的工艺已成熟，也出现过在GaN衬底上生长Ga₂O₃的成熟工艺，本发明将两工艺结合，实用价值高。另外，本发明的光电探测二极管将Ga₂O₃材料应用于光吸收层，充分发挥其在紫外光探测方面的卓越性能，该材料在日盲区光透率可达80％以上，甚至到90％，十分适合应用于光吸收层，此外其透明导电的电学特性也有利于提高光吸收层的光吸收能力，进而大幅提高光电探测二极管的器件性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的截面示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的制备方法流程示意图；

图4a-图4g为本发明实施例提供的一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的制备方法示意图；

图5为本发明实施例提供的一种第一掩膜版的结构示意图；以及

图6为本发明实施例提供的一种第二掩膜版的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1及图2，图1为本发明实施例提供的一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的截面示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的俯视示意图。本发明的光电探测二极管包括：SiC衬底1、N型同质外延层2、GaN层3、N型Ga₂O₃层4、底电极5、顶电极6、光吸收层7组成。

其中，SiC衬底为N型的4H-SiC或6H-SiC材料；N型同质外延层2为掺杂N元素的SiC，掺杂浓度10¹⁵cm^-3量级；所述GaN层3为掺杂N元素的P型GaN材料，掺杂浓度10¹⁷cm^-3量级；所述N型Ga₂O₃层为掺杂Sn、Si、Al的β-Ga₂O₃(-201)、β-Ga₂O₃(010)或β-Ga₂O₃(001)材料，掺杂浓度10¹⁷cm^-3量级；所述光吸收层为Ti、Al、Ni等材料。

进一步地，所述顶电极为Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金属材料、包含这些金属中2种以上合金或ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种以上金属构成的2层结构，例如Al/Ti。所述底电极为Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金属材料、包含这些金属中2种以上合金或ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种及以上金属构成的2层结构，例如Al/Ti叠层双金属材料。

需要说明的是：宽禁带半导体材料Ga₂O₃，因材料在日盲区的光透率可达80％甚至90％以上而极适合于深紫外光日盲区的光电探测，其光电灵敏度高，兼具蓝宝石的透明性与SiC的导电性，是进行光电探测二极管研究的理想材料。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：

步骤1、选取SiC衬底；

步骤2、在所述SiC衬底表面连续生长同质外延层、GaN层及Ga₂O₃层；

步骤3、在所述Ga₂O₃层表面形成光吸收层；

步骤4、在整个衬底下表面淀积第一金属材料形成底电极；

步骤5、在整个衬底上表面淀积第二金属材料形成顶电极以最终形成所述光电探测二极管。

其中，步骤1可以包括：

步骤11、选取N型的4H-SiC或6H-SiC材料作为所述SiC衬底；

步骤12、利用RCA标准清洗工艺对所述SiC衬底进行清洗。

步骤2可以包括：

步骤21、利用LPCVD工艺，在所述SiC衬底表面生长掺杂N元素的SiC材料以形成N型的所述同质外延层；

步骤22、采用MOCVD工艺，在所述同质外延表面生长掺杂N元素的GaN材料以形成所述GaN层；

步骤23、利用MBE工艺，在所述GaN层表面生长掺杂元素为Sn、Si、Al等元素的β-Ga₂O₃材料形成所述Ga₂O₃层。

步骤3可以包括：

采用第一掩膜板，利用磁控溅射工艺在所述Ga₂O₃层表面溅射第三金属材料形成所述光吸收层。具体地，以Ni材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为100W，真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa的条件下，在所述Ga₂O₃层表面溅射所述Ni材料以作为所述第三金属材料。

步骤4可以包括：

步骤41、利用磁控溅射工艺在包括SiC衬底、所述同质外延层、所述GaN层、所述Ga₂O₃层及所述光吸收层的整个衬底的下表面溅射所述第一金属材料；

步骤42、在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述整个衬底的下表面与所述第一金属材料表面处形成欧姆接触以完成所述底电极的制备。

进一步地，步骤41可以包括：以Ni材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为100W，真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa的条件下，在所述整个衬底的下表面溅射所述Ni材料以作为所述第一金属材料。

步骤5可以包括：

步骤51、采用第二掩膜板，利用磁控溅射工艺在在包括SiC衬底、所述同质外延层、所述GaN层、所述Ga₂O₃层及所述光吸收层的整个衬底上表面生长所述第二金属材料；

步骤52、在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述整个衬底的上表面与所述第二金属材料表面处形成欧姆接触以完成所述顶电极的制备。

其中，步骤51可以包括：

步骤511、以Ni材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W，在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa的条件下，在所述整个衬底表面溅射形成所述Ni材料；

步骤512、以Au材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W，在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa的条件下，在所述Ni材料表面溅射Au材料形成Ni/Au叠层双金属材料以作为所述第二金属材料。

需要重点强调的是，步骤4和步骤5中的底电极和顶电极的工艺流程并不固定。可以先进行底电极的制备，也可以先进行顶电极的制备，此处不做任何限制。

本实施例的光电探测二极管采用了双异质结结构，从而形成双势垒，可有效降低漏电流，从而大幅提高光电二极管的器件可靠性，且本发明的实用性较高，目前在SiC衬底上进行同质外延和生长GaN层的工艺已成熟，也出现过在GaN衬底上生长Ga₂O₃的成熟工艺，本发明将两工艺结合，实用价值高。

另外，本发明的光电探测二极管将Ga₂O₃材料应用于光吸收层，充分发挥其在紫外光探测方面的卓越性能，该材料在日盲区光透率可达80％以上，甚至到90％，十分适合应用于光吸收层，此外其透明导电的电学特性也有利于提高光吸收层的光吸收能力，进而大幅提高光电探测二极管的器件性能。

实施例三

请一并参见图4a-图4g及图5和图6，图4a-图4h为本发明实施例提供的一种基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的制备方法示意图；图5为本发明实施例提供的一种第一掩膜版的结构示意图及图6为本发明实施例提供的一种第二掩膜版的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的基于双异质结的Ga₂O₃/GaN/SiC光电探测二极管的制备方法进行详细说明如下：

步骤1：请参见图4a，准备SiC衬底1，厚度为350μm，对衬底进行RCA标准清洗；

步骤2：请参见图4b，在步骤1所准备的SiC衬底1上通过LPCVD生成N型同质外延层2，掺杂浓度在10¹⁵cm^-3量级，掺杂元素为N，厚度在5～10um；

步骤3：请参见图4c，在步骤2所准备的N型同质外延层2上通过MOCVD形成GaN层3，掺杂浓度在10¹⁷cm^-3量级，掺杂元素为N，厚度在5～10um；

步骤4：请参见图4d，在步骤3所准备的GaN层3上通过分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,简称MBE)工艺生长β-Ga₂O₃层4，掺杂浓度在10¹⁷cm^-3量级，掺杂元素为Sn、Si、Al等元素，厚度在5～10um；

步骤5：请参见图4e及图5，在步骤4所准备的β-Ga₂O₃层4使用第一掩膜版，通过磁控溅射形成Ni光吸收层7；

溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的镍，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氩气流量为20～30cm³/秒、靶材基距为10cm和工作功率为100W的条件下，制备集电极Ni，电极厚度为30nm～100nm。

光吸收层7可选用Ti、Al、Ni等材料。

步骤6：请参见图4f，在步骤1所准备的N型SiC衬底1下表面通过磁控溅射生长Ni底电极5。

溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的镍，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氩气流量为20～30cm³/秒、靶材基距为10cm和工作功率为100W的条件下，制备集电极Ni，电极厚度为150nm～250nm，之后在1000℃下氮气或氩气环境下快速热退火3min。

底电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，也可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。

步骤7：请参见图4g及图6，在步骤5所准备的光吸收层7和Ga₂O₃层4上使用第二掩膜版，通过磁控溅射生长Ni/Au顶电极6。

溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的镍，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氩气流量为20-30cm³/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备顶电极镍，电极厚度为20nm～30nm。

溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10^-4-1.3×10^-3Pa、氩气流量为20-30cm³/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W-100W的条件下，制备栅电极金，电极厚度为150nm-200nm，之后在氮气或氩气环境下500℃退火3min形成欧姆接触。

顶电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的双层结构，也可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。